книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

V*

—■=0.16

^ =0,02

P и с. 20. Зависимость толщины ннтерметаллндной прослойки от ре­ жимов пайки и отношения Ѵ’ж/S :

1 — припой олово, Vm/S — OjW mm; 2 — припой ПОС61, V№/ S = 0,020мм

Рис. 21. Схема условий образования предотвращения и устранения про­ слоек химических соединений в паяных швах при пайке однородных метал­ лов:

В — образует химическое соединение с А; С — не образует химического сое- -Дииения ни с А, ни с В, ни с Д ; Д — образует химическое соединение с А, но не образует с В.

Д о л я р е с у р с а п е р и о д а ак ти в ац и и п р и т е м п е р а т у р е Т и эн е р г и и ак ти в ац и и Q о п р е д е л я е т с я из с о о т н о ш е н и я

139

А — 'постоянная.

Каждому состоянию активации при температуре Ті за время. ті1 отвечает соответственное состояние при температуре Тп за время г,,1, подчиняющееся соотношению (27). Состояния при разных температурах, отвечающие 'концу активационных пе­ риодов (началу образования химических соединений), явля­ ются соответственными состояниями.

Если активационная стадия .пайки нлинатревапролеходитв. интервале температур при анергии активации Q, то, разбив ©го­ на интервалы со средней температурой в каждом равной Ті. То, ... Тп с соответствующим ресурсом времения Ti, Tg, ... тп и в- каждом подинтервале выдерживать время Ti1, Tg2, ... тпп, то ус­ ловие предотвращения образования химического соединения запишется в виде

тивационного процесса при взаимодействии двух металлов допоявления между ними интерметаллидов. Появление химиче­ ского соединения А ІзТі при взаимодействии титана с жидким

Выбор режима пайки с целью предотвращения возникновения1 и роста прослоек химических соединений на границе шва и паяемого материала имеет целью определение периода акти­ вации образования такой прослойки .при заданной температу­ ре и проведении процесса за время, не превышающее длитель­ ность этого периода.

На рис. 22 приведена зависимость толщины видимой при металлографическом исследовании (0Ѵ5 мкм) толщины про­ слойки химического соединения в зависимости от температу­ ры контакта меди Ml и чистого олова. Как видно, период акти-

140

центом С, не образующим химических соединений ни с Л ни с

В (рис. 22а).

При содержании в таком припое элемента В в количестве ниже критического *, прослойки химических соединений в пая­ ном соединении возникать не будут. При большем содержа­ нии В в припое (C +ß) 'будет иметь место торможение образо­ вания и роста таких прослоек. Примером подобного легиро­ вания являются припои системы Sn—Pb, применяемые для' шайки меди.

Ь ' / ч к м

S,тм

Введение в олово свинца приводит к резкому увеличению периода активации образования прослойки химического со­ единения Cu6Sn5 и торможению ее роста; а начиная с 60—70°/ц РЬ — к полному предотвращению ее образования (рис. 23). Эффективное количество вводимого свинца зависит от дли­ тельности и температуры пайки.

* Критическое содержание легирующего элемента — минимальное его содержание, при котором в контакте жидкого припоя и паяемого металла образуется прослойка химического соединения.

142

Другим примером компонента, «разбавляющаго», олово и тормозящего рост интерметаллида на границе жидкого припоя с. медыо, является висмут (рис. 24). Данные о влиянии содер­ жания висмута в припое Sn—Ві на ширину интерметаллидной прослойки после пайки меди (МІ) получены при соотношении' объема жидкого припоя к поверхности их контакта 5, рав­

ное 0,16.

Как видно из приведенных данных, более эффективно леги­ рование олова висмутом, чем свинцом. Введение в олово 10% Ві позволяет уменьшить ширину прослойки интерметаллидаCueSiiä после пайки при 250° в течение 30 сек, до 0,5—2 мкм. С тем же содержанием свинца толщина прослойки при тех же условиях пайки выше 7 мкм.

Толщина прослойки существенно сказывается на сопротив­ лении срезу паяных соединений. По нашим данным (рис. 25),. соединения Ml, паянные оловом при 280° С, при толщине про­ слойки, равной 2 мкм, имеют сопротивление -срезу 4,5 кГ/мм2,

а при 7 мкм — 3,4 кГ/мм2.

Более резкое торможение образования и роста интерметаллидных прослоек при пайке может быть достигнуто легиро­ ванием припоя элементом 'D, образующим на границе паяе-

Р и с. 25. Влияние толщины интерметаллидной прослойки при пайке меди Мі оловом на сопротивление срезу соединения (среднее из 3—5 образцов).

143

мото металла и припоя достаточно гонкую прослойку химиче­ ского соединения, которая нарушает контакт и взаимодейст­ вие между ними, но не снижает механических свойств паяного соединения. Образование такой прослойки возможно при усло­ вии, что элемент D имеет большое химическое сродство к паяе­ мому металлу, чем к основе припоя.

Содержание легирующего элемента D должно быть таким,

•чтобы прослойка барьерного интерметаллида, не снижая со­ противления срезу паяного соединения, была достаточной для ■предотвращения контакта между паяемым металлом А и жид­ ким припоем В.

При увеличении содержания в припое такого легирующего элемента сверх оптимального, будет увеличиваться прослой­ ка барьерного интерметаллида и может наступить ухудшение механических свойств паяного соединения.

і

Схематически зависимость толідины интерметаллидной дірослойки от содержания легирующего элемента для рассмат­ риваемого случая представлена на рис. 26(3 и в табл. 16. Подоб­ ное действие на рост интерметаллидной прослойки в контакте меди и жидкого олова, по-видимому, оказывает кадмий. Кад­ мий образует эвтектику е оловом и химические соединения с

медью. При содержании в припое Sn—Cd 5—10% Cd ( - ^ =

=0,16) температура пайки 250°, длительность 5—8 сек, тол­ щина интерметаллидной прослойки не превышает 1—1,7 мкм

(рис. 27).

В контакте нержавеющей стали 1Х18Н9Т и жидкого алю­ миния подобное действие на рост интерметаллидной прослой­ ки Ѳ(РеАІз)-фазы оказывают добавки кремния. Кремний об­ разует с алюминием эвтектику, а с железом — химическое со­ единение [18].

,;.144

Рентгеноструктурные исследования фазового состава интеріметалл'іідной прослойки 'Соединений стали ІХ/18Н9Т, .паян­ ных силумином А1 — 12% Si, подтвердили присутствие в шве новой фазы X с кремнием.

Ъ _

%D

Рис. 26. Схема зависимости толщины ннтерметаллидной прослойки между паяемым метал­ лом и металлом — припоем от характера взаимо­ действия легирующего компонента Д припоя с паяемым металлом А и с основой припоя В.

Введение в припой легирующих элементов имеющих боль­ шее химическое сродство с паяемым металлом по сравнению с основой припоя, но не образующих тонкого «барьерного» слоя интерметаллида, может привести лишь к ускорению рос­ та интерметаллидной прослойки, особенно, если легирующий элемент способен образовывать твердые растворы на основе ■образующегося химического соединения между паяемым ме-

таллом и основой припоя-.. Это, вероятно, увеличивает прони­ цаемость через него атомов паяемого металла пли припоя.

Р и с. 27. Влияние содержания в припое Sn — Cd кадмия и вре­ мени выдержки на толщину интерметаллидной прослойки.

Схематически такая зависимость представлена на рис.

26 в.

При пайке меди -оловом подобную роль играет цинк, обра­ зующий .с медью интерметаллиды, а с оловом — эвтектику.

На рис. 28 приведена зависимость толщины прослойки хи­ мического соединения от содержания цинка в припое Sn—Zn

Введение в -припой компонентов, вступающих с ним в хи­ мическое взаимодействие, но не -Оібразующих химических сое­ динений с паяемым металлом, должно приводить к резкому снижению скорости роста интерметаллидной прослойки на границе паяемого-металла и жидкого припоя. Типичным при-

146

щи'На интерметаллидных прослоек от содержания в припое (алюминии) серебра или меди достигает максимума при срав­ нительно небольшом содержании этих элементов. Можно пред­ полагать, что его появление обусловлено возмущающим вли­ янием растворенных в е-фазе атомов серебра или меди на диф­ фузию атомов алюминия и железа.

дики

Рис. 29. Влияние содержания в припое Sn — Ag серебра и времени выдержки на толщину интерметаллидной прослойки.

Начиная с некоторого содержания легирующего элемента в припое вследствие меньшего поступления атомов его основы к межфазной границе о паяемым металлом, скорость роста ин­ терметаллидной прослойки уменьшается, но при этом вслед­ ствие увеличения толщины химических соединений в металле шва, его пластичность и прочность снижаются.

Влияние легирования более сложных припоев на изменение роста интерметаллидных прослоек было рассмотрено на при­ мере пайки стали латунью, содержащей добавки кремния и никеля.

Как известно, при введении в латунь кремния, тормозящего испарение цинка при пайке, снижается пластичность и проч­ ность паяных соединений вследствие образования на границе стали с паяемым .швом прослойки хрупкого химического со­ единения железа с кремнием.

При введении в припой Си—Zn—.0,5% Si, 2% никеля, обла­

148